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Take Home Message
•因電磁波在水中傳輸距離有限，水下探測任務利用聲納的遠距離傳播特性進行，並透過水中載具將攝影設備帶至探測區域。
•水下文化資產調查是近年來水下探測技術一個重要應用領域，須結合不同探測技術，以保護水下具歷史、文化、考古、科學與藝術價值的遺跡。
•水下探測技術仍在持續發展，例如以水聲層析學分析海水內部結構，或發展深海載人潛艇以探索海洋深處等。

 
地球雖然是以「earth」（意為土、陸地）為名，但地球表面實際上有近71％以上是水，使用「water」、「hydro」（水）似乎更為貼切。浩瀚的海洋是地球水圈的主要部分，充滿著各種生命與資源，而平均深度約3800公尺、最深達1萬1000多公尺的海洋環境更具有多樣的形貌與特徵。在衛星通訊的時代，地球表面已可藉由衛星觀測一覽無遺，但大部分深海內太空（inner space）卻都未經人類探索，尚等待被發掘。
 

水下探測技術的發展歷程

想要知道如何探測海洋，就要先理解海洋環境的特性。組成海洋的海水是十分複雜的化合物，已知海水有92種化學物質和元素，並存在繁多的微生物。而海水平均密度約為1.03公克／立方公分（g/cm³）、比空氣重1000倍以上，每十公尺增加一大氣壓，在深海則可達數百大氣壓。由於可見光（電磁波的特定頻段）只能穿透海表面很薄的一層海水，即便是穿透力最強的綠光和藍光，在清澈的海水中也只能到達200多公尺水深。因此深海內太空是一個黑暗的環境，對水下探測而言，無法使用電磁波（含光）進行遠距離或大範圍的探測，尤其在深海或是混濁的水域，電磁波就無用武之地。
 
既然無法使用光進行目視探測深海環境，那就用利用聲音進行耳聞。聲音（或聲波）是以振動方式傳播，在連續介質（例如空氣、水、一般物質等）中，藉由介質的可壓縮性和慣性將聲能傳離聲源。因此，只要是具有彈性的介質就可傳播聲波，而傳播的速度（聲速）也因介質性質而異。例如在常溫空氣中的聲速約330公尺／秒（m/s）；在海水中約1500m/s；在海底玄武岩地殼中約5250m/s。更重要的是，聲波在水中可傳播的距離遠大於電磁波，例如數十赫茲（Hz）的低頻強聲源發射的聲波，在深海聲發聲道（SOFAR channel）中可傳播數百至數千公里。因此在遠距離探測中，聲波已取代電磁波成為水下探測主要的方式，而水中聲學（underwater sound）也成為一門學問。
 
實際上，人們對水中聲音的好奇可以追溯到1490年，當時義大利文藝復興的代表性人物達文西（Leonardo da Vinci）在他的日誌就曾記載：「假如你把船停下來，將一條長管的一端置於水中，另一端置於耳朵，你將可聽到遠方船隻的聲音。」而1826年瑞士物理學家柯拉頓（Daniel Colladon）與法國數學家史特姆（Charles Sturm）合作在瑞士的日內瓦湖（Lake Geneva）以簡易的方法，精確量測到聲音在水中的傳播速度，也是一個重要的成就。此外，1840年代焦耳（James Joule） 發現磁致伸縮效應，以及1880年居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克（Jacques Curie）發現壓電效應（piezoelectric effect）等，都是嘗試利用水中聲音進行探測。
 
以上零星發現或發明，雖然促進了水中聲音的應用，但真正利用在執行水下探測任務其實要到1912年才開始。在鐵達尼號（Titanic）碰到冰山沉沒的隔月，數學家理察森（Lewis Richardson）向英國提出回音測距（echo ranging）設計的專利，可惜他並沒有完成後續計畫。1916年，法籍的 羅斯工程師奇洛斯基（Constantin Chilowsky）與物理學家朗之萬（Paul Langevin）共同研究出電容式發射器（condenser projector），成功地回收到海底反射訊號，以及距離200公尺鐵板的回音，可說是水聲探測的里程碑。
 
隨著第一次世界大戰的發生，1918年藉由當時新發明的真空管放大器，首次成功接收到距離1500公尺潛水艇的回訊；1935年，聲學探測系統已逐漸成形，而利用聲音作為導航（navigation）和測距（ranging）的裝置也隨之誕生。在第二次世界大戰爆發前夕，幾乎所有美國艦艇已安裝水聲偵測系統⸺「聲納」（sound navigation and ranging, SONAR），意思是利用聲音作為導航與測距的裝置，也是在此期間，「雷達」（radio detection and ranging, RADAR）一詞逐漸的普遍且廣為人知。
 
第二次世界大戰結束後至1989年，也就是40餘年的冷戰期間，水中聲學有很大的進展。主、被動聲納變得更精確，聲源變得更有效率，促使操作頻率逐漸降低，因而增加了探測的距離。再加上電子計算機快速的計算能力，訊號處理方面能力大大增強，因此所能處理的狀況已非第二次世界大戰期間所能比擬。在民間方面，由於探索海洋資源的需求，石油探勘、魚群探測、海底物打撈、海底地形繪測等海上活動日益頻繁，促使水中聲學在民間的應用快速成長，這是水中聲學初次使用於促進民生福祉，也是冷戰結束後水中聲學的應用趨勢。……【更多內容請閱讀科學月刊第654期】